一种石墨烯原料的制备方法及应用该石墨烯原料的电刷
阅读说明：本技术 一种石墨烯原料的制备方法及应用该石墨烯原料的电刷 (Preparation method of graphene raw material and electric brush using graphene raw material ) 是由 麦鹤远 罗永聪 于 2019-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种石墨烯原料的制备方法,以经济实用的方式和工艺方法,将制备石墨烯的一种初级原料加工成为一种具有一定的石墨烯特性的,我们可称之为“类石墨烯”的原材料,并经过进一步的表面涂覆工艺处理,使之成为一种可以应用各类电刷产品的高档次涂覆石墨粉。本发明所制作的原料,应用范围广,可应用于各种有色(金属石墨电刷),也可应用于碳石墨电刷(多种高阻和低阻电刷)。经实验验证,利用本发明提供的涂覆石墨粉,电刷产品的电气性能有效改善,产品使用寿命有效增加。本发明适合于电刷产品的规模化生产,成本低廉。尤其在金属石墨电刷产品中,可以减少铜一类的贵重金属的添加量,在一定程度上降低材料成本。(The invention discloses a preparation method of a graphene raw material, which is characterized in that a primary raw material for preparing graphene is processed into a raw material with certain graphene characteristics, namely graphene-like raw material, in an economical and practical mode and a process method, and the raw material is further processed by a surface coating process to form high-grade coated graphite powder applicable to various electric brush products. The raw material prepared by the invention has wide application range, can be applied to various colored (metal graphite electric brushes) and can also be applied to carbon graphite electric brushes (various high-resistance and low-resistance electric brushes). Experiments prove that the electric performance of the electric brush product is effectively improved and the service life of the product is effectively prolonged by utilizing the coated graphite powder provided by the invention. The invention is suitable for the large-scale production of the electric brush products and has low cost. Particularly, in the metal graphite brush product, the addition amount of noble metals such as copper can be reduced, and the material cost is reduced to a certain extent.)
技术领域
本发明涉及电刷技术领域，尤其涉及一种石墨烯原料的制备方法及应用该石墨烯原料的电刷，上述石墨烯既可以作为电刷产品的主要添加石墨材料，也可以作为各种电刷产品的添加剂。
背景技术
电刷，应用于许多电气设备中、尤其是各种电机中，并且是其中一种及其重要的滑动接触部件。电刷使用要求，既要有良好的换向性能，又要兼顾电刷的使用寿命，同时又要求不能伤害磨损换向器(通常换向器的材质是由高纯铜或铜银合金制成，材质较软)。为了保障上述目的，我们通常使用鳞片石墨粉。
鳞片石墨粉及特性：鳞片石墨是天然晶质石墨，其形似鱼鳞状，属六方晶系，呈层状结构：因其具有较好的导电导热性能，以及较好的自润滑性能，在电刷产品生产中被大量使用。
石墨烯，是一种由碳原子构成的单层片状结构的材料，是目前人类所发现的最薄也是最坚韧的纳米材料。它具有极优良的透光性和导电导热性能(远远强于铜银等材料)，同时还具有极强的柔韧性。
鳞片石墨粉和石墨烯：我们可以这样理解，多层结构的鳞片石墨粉是由数百乃至上千层的石墨烯叠加而成。这些叠加层结构紧密，稳定。虽然具有较好的导电导热以及自润滑性能，但是随着电机技术要求的提高，已经难以满足其在使用性能上的要求了。而石墨烯，则是从鳞片石墨粉上通过一定的技术手段剥离下来的单层或者极低层数石墨粉。随着石墨烯材料的应用，其运用在电刷产品上的优异特性(极高的电气性能和更长的工作寿命)就充分的显现出来。
然而，由于石墨烯提取制造的工艺复杂，难度较大，其成本也奇高。虽然，随着技术的进步，石墨烯工业化生产的普及，石墨烯材料的价格已经从上千元人民币1克降到了几十乃至几元人民币1克，但是对于电刷产品工业化生产来说仍然成本极其高昂，目前仍是电刷生产厂家和电机生产厂家所无法承受的。
类石墨烯：我们在这里推出类石墨烯这个概念，是基于目前工业化石墨烯材料生产中运用的一种高膨胀倍率的石墨材料而产生的。
工业化石墨烯材料的生产方法目前有很多种，其中一种是：选用一种高纯度的鳞片石墨粉，通过酸洗，膨化，拉开其石墨间层的距离，制成我们通常所说的膨胀石墨，再通过机械碾磨，极性溶剂浸泡分离等技术手段，将原本数百乃至上千层的石墨粉颗粒剥离成石墨烯，或者只有几层至十几层的石墨粉材料。而这类只有数层至十数层的石墨粉材料，已经能够呈现出很明显的石墨烯的特性，我们可将其称之为：类石墨烯。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种简便易行、设备要求简单、制造成本低的石墨烯原料制备方法。
本发明的另一个目的在提供一种应用上述石墨烯原料的电刷产品。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种石墨烯原料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选材，选用膨胀倍数为300-500倍、石墨的含量≥99％、松装密度在0.05-0.15g/cm3的蠕虫石墨；
2)碾磨，将蠕虫石墨加入球磨机进行碾磨，碾磨一段时间后，倒出进行筛分获得石墨粉；
3)涂覆，将筛分后的石墨粉搅拌松散；将表面活性剂和热塑性粘接剂，用强极性溶剂充分搅拌溶解后，加入到搅拌松散的石墨粉中进行热搅拌，热搅拌一段时间后加热使溶剂挥发，从而使热塑性粘接剂在表面活性剂作用下均匀牢固的涂覆于石墨粉表面；
4)造粒，将表面涂覆后的石墨粉压制成坯块，压坯密度≥1.95g/cm3；然后对坯块进行破碎磨粉，并进行筛分，从而制得涂覆石墨粉。
更为优选的是，在步骤2)中，石墨粉是过30目的筛分机筛分获得，石墨粉的松装密度在0.55-0.65g/cm3。
更为优选的是，在步骤3)中，搅拌是通过双搅刀热混机来实现的，热搅拌时间为4-6小时，加热使溶剂挥发的温度为130±5℃。
更为优选的是，表面涂覆后的石墨粉中，石墨粉所占质量百分比为72±3％，表面活性剂所占质量百分比为5±1％，热塑性粘接剂所占质量百分比为23±2％；所述强极性溶剂的用量为表面涂覆后石墨粉总重量的30±5％。
更为优选的是，在步骤4)中，涂覆石墨粉是过50目的筛分机筛分获得的，涂覆石墨粉的松装密度在0.8-0.9g/cm3。
一种电刷，其特征在于具有如上所述制备方法制得的涂覆石墨粉。
更为优选的是，所述电刷为金属石墨电刷，该金属石墨电刷按质量百分比主要由以下组分组成：电解质铜粉40-60％、涂覆石墨粉36-56％、添加剂3-5％。
更为优选的是，所述金属石墨电刷的制备方法如下：
1)混匀：将各组分混合在一起充分混均；
2)压制：用模具将混匀后的料粉压制成型，单位压力为165±10Mpa；
3)烧结：使用网带式连续烧结炉，氢氮混合气体保护，450±10℃烧结成型制得产品。
更为优选的是，所述电刷为碳石墨电刷，该碳石墨电刷按质量百分比主要由以下组分组成：特种人造石墨粉51±10％、涂覆石墨粉28±10％、添加剂0.8±0.2％、环氧树脂19.5±5％、固化剂0.7±0.3％。
更为优选的是，所述碳石墨电刷的制成方法如下：
1)使用双搅刀式混合机，将环氧树脂和固化剂用丙酮稀释均匀后，加入特种人造石墨粉、涂覆石墨粉、添加剂，并充分搅拌均匀；直至丙酮充分挥发，将料糊取出晾干，然后磨粉，筛分；
2)将筛分后的料粉用压机压制，压坯密度控制在1.70-1.75g/cm3；
3)将坯料加热固化，制得产品。
本发明的有益效果是：
通过对制作石墨烯的初级材料——膨胀石墨进行机械球磨，将其加工成为能够用于生产的类石墨烯；再经过湿混法，对这种类石墨烯进行表面涂覆处理，成为通常所说的胶质粉(涂覆石墨粉)。经过涂覆处理后的这种类石墨烯，既可以作为主要原料单独使用，也可以与铜粉，其它石墨粉等材料混合使用，制作不同类型和不同用途的电刷产品。如，可应用于各种有色(金属石墨电刷)，也可应用于碳石墨电刷(多种高阻和低阻电刷)。实际使用证明，利用本发明提供的涂覆石墨粉，电刷的实际使用效果会得到大幅提升，电刷产品的电气性能有效改善，产品使用寿命有效增加。本发明适合于电刷产品的规模化生产，成本低廉。尤其在金属石墨电刷产品中，可以减少铜一类的贵重金属的添加量，有效降低材料成本。
本发明工艺操作简便易行，设备要求简单，原材料易制得。最重要的是，技术指标容易控制，适合于工厂批量化生产。材料成本仅比普通石墨粉高25-28％，但是性能提升50％以上；如果按相同比例添加石墨烯原料，按照我们能查找到的最低价格计算(约7元/克)，材料成本将高出十余倍。因此，综合来看，更具有实用价值。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步的描述，以使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
实施例1
一种石墨烯原料制备方法，其制备原理如下：
一)使用设备：
A.球磨机；
B.筛分机；
C.双搅刀热混机。
二)使用原材料：
a.300-500膨化倍数的膨胀石墨粉；
b.表面活性剂；
c.热塑性粘接剂；
d.溶剂。
三)石墨粉选用：
选用膨胀倍数为300-500倍的蠕虫石墨，石墨的含量≥99％，松装密度0.05-0.15g/cm3。
四)石墨粉磨粉：
将蠕虫石墨加入球磨机进行碾磨。此工艺方法旨在利用金属球体的撞击和碾磨将已经膨化的石墨粉进行层间剥离。碾磨一段时间后，倒出用30目筛进行筛分。筛下石墨粉进行检测，松装密度达到0.55-0.65g/cm3。
五)石墨粉表面涂覆：
将筛分后的石墨粉加入双搅刀热混机内搅拌松散；将表面活性剂和热塑性粘接剂，用强极性溶剂充分搅拌溶解后，加入热混机中进行热搅拌。搅拌时间4-6小时。然后加热至130℃，使溶剂充分挥发，使得热塑性粘接剂在表面活性剂作用下均匀牢固的涂覆于石墨粉表面。
表面涂覆后的石墨粉中，石墨粉所占质量百分比为72％，表面活性剂所占质量百分比为5％，热塑性粘接剂所占质量百分比为23％；所述强极性溶剂的用量为表面涂覆后石墨粉总重量的30％。
六)造粒：
将表面涂覆后的石墨粉压制坯块，压坯密度要求≥1.95g/cm3；然后对压坯进行破碎磨粉，并用50目筛网进行筛分。
本工序的应用，是由于表面涂覆后的石墨粉松装密度较低，后期混合时流动性低。进行造粒处理后的石墨粉松装密度可达到0.8-0.9g/cm3，有利于后期的混合处理工序进行。
实施例2～实施例3
一种金属石墨电刷，其利用实施例1制得的石墨烯原料制成，该金属石墨电刷中，各组分的质量百分比如下：
实施例1(A1)： 对比例A2：
电解铜粉 40％ 电解铜粉 40％
涂覆石墨粉 56％ 普通胶质粉 56％
添加剂 4％ 添加剂 4％
实施例2(B1)： 对比例B2：
电解铜粉 60％ 电解铜粉 60％
涂覆石墨粉 36％ 普通胶质粉 36％
添加剂 4％ 添加剂 4％
说明：两个实施例和对比例中，所使用的电解铜粉均为同一批次；添加剂同为电刷专用耐磨剂和软金属材料的混合物；对比例中的胶质粉使用常规的高纯鳞片石墨粉，其它成分和比例以及工艺方法与本发明相应的实施例相同。
上述金属石墨电刷的具体制备方法如下：
1)混匀：将以上4种配料方案分别执行，并各自充分混均。
2)压制：用同一套模具分别将四种料粉压制成型，单位压力均为165Mpa,得到的材料生坯密度如下：
试验序号
A1
A2
B1
B2
实测密度(g/cm<sup>3</sup>)
2.63-2.66
2.50-2.55
3.58-3.61
3.48-3.51
3)烧结：使用网带式连续烧结炉，氢氮混合气体保护，450℃烧结成型制得产品。
烧结后产品取样各10只检测理化性能，结果如下：
a.电阻率:Ω.M
试样编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
均值
A1
1.26
1.35
1.28
1.31
1.25
1.33
1.36
1.30
1.28
1.27
1.29
A2
1.58
1.60
1.64
1.58
1.62
1.66
1.63
1.55
1.62
1.66
1.61
B1
0.68
0.65
0.55
0.58
0.60
0.66
0.50
0.58
0.64
0.60
0.60
B2
0.96
0.88
0.79
0.91
0.88
0.85
0.90
0.89
0.88
0.86
0.88
b.体积密度:g/cm3
试样编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均值
A1
2.55
2.55
2.54
2.53
2.58
2.54
2.53
2.57
2.56
2.56
2.55
A2
2.45
2.39
2.42
2.40
2.42
2.40
2.39
2.41
2.38
2.38
2.40
B1
3.50
3.52
3.52
3.55
3.50
3.51
3.51
3.53
3.52
3.50
3.51
B2
3.38
3.38
3.41
3.39
3.40
3.42
3.38
3.36
3.41
3.38
3.39
c.洛氏硬度:HR10/196
试样编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均值
A1
100
101
100
102
101
103
100
101
102
103
101.3
A2
109
105
107
108
108
106
108
108
106
108
107.3
B1
105
106
106
107
106
108
105
107
105
106
106.1
B2
112
115
112
113
116
113
115
115
116
113
114
实施例4
一种碳石墨电刷，其利用实施例1制得的石墨烯原料制成，该碳石墨电刷中，各组分的质量百分比如下：
实施例4(C1) 对比例C2 对比例C3
特种人造石墨粉51％ 特种人造石墨粉79％ 特种人造石墨粉51％
涂覆石墨粉28％ 添加剂0.8％ 普通胶质粉28％
添加剂0.8％ 环氧树脂19.5％ 添加剂0.8％
环氧树脂19.5％ 固化剂0.7％ 环氧树脂19.5％
固化剂0.7％ 丙酮25％ 固化剂0.7％
丙酮25％ 丙酮25％
上述碳石墨电刷的制成方法如下：
1)使用双搅刀式混合机，将环氧树脂+固化剂+丙酮稀释均匀后，分别加入三种配料中。并充分搅拌均匀。直至溶剂充分挥发，将料糊取出晾干；然后磨粉，筛分。
2)将三种料粉用压机分别压制，压坯密度控制范围1.70-1.75g/cm3。
3)将三种坯料加热固化。
说明：本实施例C1和两个对比例C2和C3中，所使用的特种人造石墨粉、添加剂、环氧树脂固化剂等的材料和添加比例完全相同，混合方法也相同。区别是：C2方案完全使用特种人造石墨粉；C3用普通高纯石墨粉合成的胶质粉，其使用的原材料和比例完全相同。
产品固化后分别取样各10只检测理化性能，结果如下：
a.电阻率：Ω.M
试样编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均值
C1
785
810
791
795
803
812
787
821
801
797
800.2
C2
1112
1101
1098
1124
1099
1130
1124
1130
1098
1125
1114.1
C3
854
862
880
871
875
863
877
857
869
891
869.9
b.体积密度：g/cm3
试样编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均值
C1
1.45
1.45
1.46
1.45
1.43
1.42
1.43
1.45
1.43
1.45
1.44
C2
1.40
1.38
1.38
1.37
1.39
1.37
1.40
1.37
1.38
1.36
1.38
C3
1.49
1.50
1.50
1.51
1.48
1.49
1.51
1.50
1.52
1.50
1.50
c.洛氏硬度:HR10/196
试样编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均值
C1
68
67
68
66
67
65
67
67
65
67
67.0
C2
62
63
60
58
60
59
57
60
59
57
59.5
C3
72
75
72
71
72
72
73
76
71
75
72.9
实际运行测试结果：
A1和A2对比：
在12V的75W车用直流电机上连续运行200小时,电机负载转速3950-4050rpm,测试结果如下：
测试情况，电机使用中A1电刷产生温升比A2低11℃，有利于电机更长时间的运行，烧机的风险小于A2；电刷磨损：A1最大值0.36mm,A2的最大值0.74mm,差距明显。而且，A1的正负极两只电刷磨损更均匀，A2的正负极两只电刷磨损差异较大，表现出明显的“极差”现象。同时，对电机换向器的磨损，A1也明显小于A2。
B1和B2对比:
在一台12V,1200W启动电机上测试。每次启动5秒钟，间歇5秒钟。各工作10000次，结果如下：
C1和C2，C3对比：
在220V，1000W的串激电机上运行50小时，电机转速11000-11500rpm。
测试结果如下：
测试情况，电机运行时的火花，C1和C2较接近，C3明显增大，而且火花颜色异常。电刷磨损，C1最大磨损值2.90mm；C2最大磨损值3.48mm；C3最大磨损值5.52mm，差距明显。而且正负极磨损的极差现象，C1最小；C2有差异；C3最大。电机换向器磨损，C1最小；C2次之；C3最大。
结果分析：
通过对产品的理化检测结果来看，采用本发明提供的类石墨烯原材料的铜石墨碳刷在生产中，压制成型的密度明显高于对比样，说明类石墨烯材料具有比普通石墨粉更优良的成型性；烧结成型后的样品，电阻率分别低24％和35％，体积密度分别高6％和3％，具有更良好的导电和导热性能；而硬度值分别低5％和7％，在使用中能够更好的吸收和减少跳动，改善电机的换向性能。
在碳石墨电刷试验中，由于工艺需要，我们将试样和对比样进行了相同的压制密度控制。固化成型后的结果：电阻率，C1比C2低39％；比C3低8％。导电导热性明显好于C2，与C3接近。从体积密度看，C1介于C2和C3之间。而C2最低，意味着它具有更大的气孔率，从传统认识上，使用中的换向性能最好。而测试到的硬度对比，看上去也支持这个判断。
实际装机测试结果：在金属石墨电刷测试中，由于工作状态下工作电流较大，故而显现出类石墨烯材料优良的导电导热性，温升明显低于普通石墨粉制成的对比样；在碳石墨电刷测试中，C1和C2呈现出近似的火花特征，而添加普通石墨粉的C3则火花明显偏大，表现不良。
电刷磨损情况，添加类石墨烯原料的试验样均表现出明显如下特征：一是电刷磨损值均低于对比样；二是电刷正负极磨损的极差现象最小，磨损均匀。而对比样都出现不同程度的极差现象。
电机换向器情况，性能理想的电刷在使用一段时间后，电机换向器表面会形成一层厚薄均匀，色泽棕色的，铜碳复合的薄层，俗称“氧化膜”。能否有效的形成氧化膜，氧化膜的厚与薄，是否均匀，都将决定电机的使用性能和寿命。通过试验说明，采用这种类石墨烯材料能够有效的提升这一特性,使得在电机换向器表面形成均匀的氧化膜。
更重要的一点，这种类石墨烯材料还具有石墨烯的一个重要特性：对换向器及电刷工作面的修复能力。通常，电机换向器表面即使经过精加工，但微观上仍然存在凹凸不平的情况。这种情况在电机高速旋转的状态下，普通材质的电刷会产生高频跳动，从而引起电刷和换向器之间的“放电”，形成我们所说的火花。导致电刷和换向器表面的烧蚀，缩短使用寿命。而电刷正负极两端因电流输出方向的差异，因而两端产生的火花差异也会悬殊，烧蚀也就悬殊。故而形成我们常见的“极差”现象。而这种类石墨烯材料制成的电刷，由于本身材质具有的润滑性和柔韧性，可以降低电机运行中产生的跳动；同时剥离下来的微量类石墨烯材料会吸附在换向器表面，填补换向器表面的凹陷部分。在修补换向器表面的同时，帮助其更好的形成“氧化膜”。从而达到降低“放电”，抑制火花的效果。进而既保护了电机换向器，也减少了对电刷的磨损。
经济上比较：本发明工艺操作简便易行，设备要求简单，原材料易制得。最重要的是，技术指标容易控制，适合于工厂批量化生产。材料成本仅比普通石墨粉高25-28％，但是性能提升50％以上；如果按相同比例添加石墨烯原料，按照我们能查找到的最低价格计算(约7元/克)，材料成本将高出十余倍。因此，综合来看，更具有实用价值。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。